干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)在食用油精煉過程中的應(yīng)用
根據(jù)國內(nèi)外真空脫臭系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，結(jié)合干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)工作原理、工作方式，分析了該技術(shù)在油脂精煉脫臭過程中的能源消耗狀況及經(jīng)濟(jì)效益，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
近年來，我國油脂加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，上規(guī)模企業(yè)近1500家。2010年食用植物油加工業(yè)年處理油料能力為13111.1萬t、油脂精煉能力為3972.5萬t;食用油品種繁多，品種以大豆油、菜籽油、棕櫚油和花生油為主，4個(gè)品種產(chǎn)量達(dá)1984.8萬t，占食用植物油實(shí)際總產(chǎn)量的88.5%。油脂精煉生產(chǎn)過程中蒸汽消耗約占總動力成本的80%左右，是節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)區(qū)域�！�“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》主要目標(biāo)要求到2015年全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869t標(biāo)準(zhǔn)煤，比2010年的1.034t標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%。作為用能大戶，食用油脂加工行業(yè)面臨的節(jié)能減排形勢也十分嚴(yán)峻。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)作為一種新型節(jié)能技術(shù)發(fā)展日益成熟，有望降低精煉過程中的蒸汽量和用水量能源消耗，成為降低油脂加工企業(yè)生產(chǎn)成本的重要手段之一。
1、國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢
油脂精煉真空脫臭系統(tǒng)主要有噴射大氣冷凝系統(tǒng)、低溫堿液冷凝真空系統(tǒng)、預(yù)脫臭系統(tǒng)以及干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)�，F(xiàn)我國大部分油脂精煉生產(chǎn)線采用傳統(tǒng)的噴射大氣冷凝真空脫臭系統(tǒng)。盡管前期投入費(fèi)用低，但是能耗極高，所需蒸汽消耗約占總蒸汽量60%～85%。相比傳統(tǒng)工藝，美國、德國等多個(gè)廠家采用低溫堿液冷凝真空系統(tǒng)，用二級真空泵聯(lián)用一臺水環(huán)真空泵替代了傳統(tǒng)的四級蒸汽噴射泵，用低溫堿液替代了30℃的循環(huán)水，提高了脂肪酸的捕集效果，降低了動力蒸汽的耗量，節(jié)能效果達(dá)到40%以上。印度MECPRO公司采用預(yù)脫臭法，用脫色油經(jīng)節(jié)能器加熱、除氣罐除去一些不溶的過氧化物，再經(jīng)閃蒸器除去游離脂肪酸及其他含臭物質(zhì)后，進(jìn)入脫臭塔脫臭的工藝，使直接蒸汽消耗降至通常水平的70%。
另外，脫臭工藝中的水耗也是精煉脫臭工藝中關(guān)注的焦點(diǎn)問題。傳統(tǒng)噴射大氣冷凝真空脫臭系統(tǒng)需要大量的冷卻水，并排放大量廢水。以400t/d食用油精煉生產(chǎn)線為例，冷凝器及冷卻塔用水為250m3/h，廢水排放為3.9t/h，按300d工作時(shí)間計(jì)算，年用水量為180萬t，年產(chǎn)污水2.8萬t。低溫堿液冷凝真空系統(tǒng)和預(yù)脫臭系統(tǒng)盡管節(jié)能效果明顯，但還是沒有解決水耗高以及污水排放量大的問題。
相對于上述3種真空脫臭系統(tǒng)，干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)近年來得到快速發(fā)展，成為一種新型高效的節(jié)能技術(shù)。干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)最早在1969年由Martinenghi G.B.首次提出該項(xiàng)技術(shù)的雛形，用-40℃～-15℃的溫度凝華油脂脫臭工藝蒸汽中的可凝氣，從而減輕下級真空泵負(fù)荷。1984年，Merk等對該技術(shù)又進(jìn)行改進(jìn)，將“干冷器”稱為“間接冷凝器”，為強(qiáng)化傳熱效果，他提出間接冷凝器內(nèi)流體雷諾數(shù)應(yīng)低于2300，流體流動方向上通道面積應(yīng)視氣體量而變化，且流體入口處和出口處的雷諾數(shù)應(yīng)保持基本一致。1986年，Hansted F.對干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并稱丹麥Atlas公司的首臺工業(yè)化裝置于1983年于丹麥大豆餅工廠投入工業(yè)應(yīng)用，節(jié)能效果良好。2001 年，LinesJ.R.對該系統(tǒng)冷凝器進(jìn)行革新設(shè)計(jì)，在規(guī)模為34t/h油脂脫臭生產(chǎn)中的能耗指標(biāo)顯示出該系統(tǒng)的低能耗優(yōu)勢。目前，德國Korting、丹麥Atlas及美國Graham公司在該項(xiàng)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。
相比于噴射大氣冷凝系統(tǒng)、低溫堿液冷凝真空系統(tǒng)、預(yù)脫臭系統(tǒng)3種脫臭方式，干式-冷凝真空脫臭工藝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：
(1)能耗方面：不需要使用多級蒸汽噴射泵、大氣冷凝器等裝置，所需蒸汽壓力降低，蒸汽用量也大幅減少;幾乎無需冷卻循環(huán)水，無需冷卻循環(huán)水泵。
(2)環(huán)保方面：幾乎無廢水排放，易于分離處理;最終排出的氣體中幾乎不含有揮發(fā)性物質(zhì)，無臭氣。
(3)操作方面：真空穩(wěn)定，操作靈活，可調(diào)節(jié)性好，自動化程度高且安全可靠，適合氣量多變的要求。
(4)土建維護(hù)方面：占用空間小，容易接近，管理維修工作量小。
干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)在我國還屬于新興技術(shù)，必將受到越來越多的油脂加工企業(yè)重視及油脂科研工作者的深入探討，從而更好地為油脂加工產(chǎn)業(yè)服務(wù)。
2、工作原理
在水的三相圖(圖1)中，在水的三相點(diǎn)(0 ℃[32°F]，0.61kPa)，只存在氣相水汽和固相冰兩種狀態(tài);水汽會直接冷凝成冰(反升華)，與水蒸氣冷凝成水的“濕”冷凝不同，這種冷凝形式可稱之謂“干”冷凝。
圖1 水三相圖
干式-冷凝真空脫臭技術(shù)在水的三相點(diǎn)參數(shù)條件以下，將從脫臭塔中吸入的水蒸氣與游離脂肪酸等物質(zhì)，采用干式-冷凝的方式使之不經(jīng)過液相狀態(tài)，在冷凝器冷卻管傳熱面上直接凍結(jié)成固相而附著在冷凝管表面，然后再行除去的工藝方法，經(jīng)過冷凝器后實(shí)際上流向噴射泵的僅有空氣。
3、工作方式
干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)，主要是由汽阱系統(tǒng)、除冰系統(tǒng)、非冷凝真空系統(tǒng)和制冷裝置4部分組成。干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)工作方式見圖2。
圖2 干式－冷凝真空脫臭系統(tǒng)工作方式
(1)經(jīng)由脂肪酸洗滌器的脫臭蒸汽進(jìn)入冷凝器，在冷凝器表面冷凝結(jié)成固體而附著在冷凝器表面，不凝結(jié)汽體被機(jī)械羅茨泵系統(tǒng)排空。
(2)汽阱系統(tǒng)和除冰系統(tǒng)工作方式：由2組冷凝器串聯(lián)連接，每組冷凝器由2臺雙管程雙殼程交叉運(yùn)行的冷凝器并聯(lián)組成，當(dāng)1臺冷凝器工作時(shí)，另一臺則處于除冰狀態(tài)。當(dāng)1臺冷凝器的工藝閥、真空閥、冷卻閥和排液閥關(guān)閉時(shí)，除冰蒸汽閥開啟，蒸汽通過除冰蒸汽閥進(jìn)入冷凝器，使附著在冷凝器表面的冰晶完全溶化，開啟排液閥使溶化的脂肪酸混合物全部流入下方的暫存罐中。此時(shí)除冰結(jié)束，關(guān)閉除冰蒸汽閥和排液閥，緩慢開啟冷卻閥冷卻冷凝器使冷凝器中殘留的水蒸氣冷凝成冰，殘留水汽凝結(jié)成冰時(shí)可使該冷凝器內(nèi)形成真空，其水汽壓力會等于或優(yōu)于正在工作的冷凝器內(nèi)真空度。當(dāng)殘留水汽完全被冷凝后，開啟真空閥和工藝閥，冷凝器進(jìn)入工作狀態(tài)。關(guān)閉和開啟相應(yīng)閥門使另一冷凝器進(jìn)入除冰狀態(tài)。第1組冷凝器上裝有熱水管道，以便沖洗冷凝器管外壁上附著難以除盡的物質(zhì)。脂肪酸暫存罐與脂肪酸罐連接，溶化的脂肪酸混合物經(jīng)暫存罐流入脂肪酸分離罐進(jìn)行脂肪酸與水的分離。
(3)非冷凝真空系統(tǒng)：由2臺一級羅茨泵、1臺二級羅茨泵、1臺三級羅茨泵、1臺水環(huán)真空泵、1臺冷凝器和1臺汽液分離器組成。經(jīng)過汽阱系統(tǒng)后的汽體中基本不含有脂肪酸揮發(fā)物和水蒸氣，該汽體經(jīng)過羅茨泵系統(tǒng)后在水環(huán)泵中與經(jīng)過冷凝器冷凝的循環(huán)廢液混合，汽體中部分可溶物溶入廢液中，汽液混合物進(jìn)入汽液分離器最后進(jìn)行汽液分離，分離出來的液體進(jìn)入廢液循環(huán)管路，不溶性汽體排空。
(4)制冷裝置：由1臺載冷劑暫存罐、2臺串聯(lián)的冷凝器、2臺串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)螺桿式冷凍機(jī)組和1臺載冷劑輸送泵組成。載冷劑由汽阱系統(tǒng)返回載冷劑暫存罐，然后進(jìn)入冷凝器中與冷凍機(jī)組輸出的液氨進(jìn)行熱交換，冷凝至-20℃左右的載冷劑最后通過載冷劑輸出泵輸送到汽阱系統(tǒng)中。
4、經(jīng)濟(jì)效益
表1 干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析
為進(jìn)一步完善干式-冷凝真空脫臭節(jié)能技術(shù)，將研制出的干式-冷凝系統(tǒng)應(yīng)用于某油脂加工企業(yè)400t/d精煉生產(chǎn)線的改造工程，并同原有傳統(tǒng)噴射真空系統(tǒng)相比較，分析了該系統(tǒng)的造價(jià)、能耗等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
從表1可以看出，以該400t/d精煉生產(chǎn)線年加工300d計(jì)，與傳統(tǒng)噴射真空系統(tǒng)相比，采用干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)可以節(jié)省蒸汽12729.6t，節(jié)約用水28800t，減少污水排放25459.2t，年節(jié)省成本268.25萬元。該干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)在降低蒸汽和用水消耗方面具有顯著優(yōu)勢，有利于降低油脂加工企業(yè)經(jīng)營成本，提高企業(yè)市場競爭力。
5、應(yīng)用前景
在能源價(jià)格越來越高，社會對環(huán)保要求越來越嚴(yán)格的情況下，作為能耗高、污染較大的食用油脂加工企業(yè)來說，尋求節(jié)能環(huán)保的工藝技術(shù)是企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的必然要求。干式-冷凝真空脫臭系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保方面的有著顯著的優(yōu)勢，它的應(yīng)用可使企業(yè)達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，符合社會發(fā)展對企業(yè)的要求，是我國油脂精煉技術(shù)發(fā)展史上的一次變革，必將在我國食用油脂工業(yè)中逐步地得到應(yīng)用和發(fā)展。
